Voltova batéria, zdroj jednosmerného prúdu
Poznávanie elektriny sa začalo niekedy v polovici 18. storočia. V roku 1752 Benjamin Franklin (1706 – 1790) zostrojil prvý bleskozvod. O tridsať rokov neskôr taliansky lekár a anatóm Luigi Galvani (1737 – 1798) pitval žabie stehienka a všimol si, že stehienko sebou mykne, keď sa oba jeho konce dotknú dvoch rôznych kovov. Galvani pripisoval tento jav prejavom akejsi živočíšnej elektriny. Neskôr sa nad týmito javmi zamýšľal aj Talian, fyzik, gróf Alessandro Volta (1745 – 1827). Na nijakú živočíšnu elektrinu neveril a prišiel na zaujímavú vec. Zistil, že ak dáme dva rôzne kovy do slanej vody alebo do kyseliny, medzi týmito dvoma kúskami kovu vznikne elektrické napätie. Ak dáme medzi tieto dva kovy drôtik, potečie ním elektrický prúd. Namiesto kúska kovu môžeme použiť aj kúsok uhlíka, teda tuhy z ceruzky.
Voltov vynález bol neskôr zdokonalený a dnes sa s ním stretávame často, napríklad v lampičke máme batériu, v tranzistorovom rádiu máme niekoľko batérií, spojených ako vo Voltovom stĺpe, v aute používame akumulátor, šoféri ho tiež nazývajú batériou. Tento akumulátor rozsvieti reflektory auta.
Ako sa vyrába elektrina?
Po Voltovom vynáleze sa veľa vynikajúcich ľudí začalo zaoberať štúdiom elektriny a čoskoro objavili zaujímavé veci. Dánsky fyzik a filozof Oersted si všimol, že okolo vodiča, ktorým tečie prúd, vzniká magnetické pole. Videl to z toho, že magnetka, ktorá bola blízko vodiča, sa pootočila, keď vodičom začal tiecť prúd. Francúzsky fyzik Ampére si okolo roku 1820 všimol, že na vodič v magnetickom poli pôsobí sila a dva vodiče, ktorými tečie prúd, sa navzájom priťahujú alebo odpudzujú podľa toho, aký je smer týchto vodičov. Ľudia zhotovili aj niekoľko zaujímavých prístrojov, ktoré si pre zábavu ukazovali počas dlhých večerov, samozrejme, pri svetle sviečok, pretože o žiarovkách ešte ani nechyrovali.
Keď sa dnes hráme s elektrinou, máme to jednoduché. Meracím prístrojom, ktorý sa volá voltmeter, si zmeriame napätie (jednotkou je jeden volt) medzi dvoma pólmi batérie alebo medzi dvoma kúskami kovu zapichnutými do citróna. Voltmeter ukáže, že sme vyrobili batériu s napätím 0,76 voltov. Tým istým prístrojom zmeriame aj prúd, ktorý tečie vodičom (jednotkou je jeden ampér). Tieto údaje sú napísané aj na batériách a žiarovkách, ktoré si bez problémov kúpime v obchode. Ak chceme vidieť, či prúd naozaj tečie, použijeme žiarovku alebo „ledku“. Berte ju jednoducho ako žiarovčičku, ktorej stačí na svietenie napätie okolo 1,5 V a slabý prúd.
Faraday to roztočil
Anglický fyzik a chemik Michael Faraday (1791 – 1867) si všimol, že ak sa vodič, napríklad železný drôt, pohybuje v magnetickom poli, vzniká vo vodiči napätie a tečie ním prúd. To isté sa stane, ak je vodič v pokoji a okolo neho sa pohybuje magnet. Tieto Faradayove myšlienky vyzerali najprv ako detské hračky a v istom zmysle nimi aj boli. Hovorí sa, že Faradaya v jeho laboratóriu raz navštívil vysoký vládny úradník, u nás by mu zodpovedal asi minister financií. Poprezeral si Faradayove hračky a napokon sa spýtal, na čo to raz bude dobré. Faraday odpovedal, že to síce celkom presne nevie, ale je si istý, že na to raz kráľovské ministerstvo financií uvalí dane. Faradayov objav „elektromagnetickej indukcie“ umožňuje výrobu elektriny a používa sa aj v dnešných elektrárňach. V princípe sa v zariadeniach na výrobu elektriny – elektrárňach – vodiče pohybujú v magnetickom poli a vzniká v nich elektrický prúd. Podľa druhu paliva rozlišujeme rôzne elektrárne – tepelné, vodné alebo jadrové, tie sú u nás v Jaslovských Bohuniciach a Mochovciach. To, čo sa deje pri výrobe elektriny, prebieha, ale naopak, v elektromotore. Pri výrobe elektriny sa krúti vodič v magnetickom poli a vzniká prúd. V elektromotore vchádza prúd do motora a v motore sa „niečo“ rozkrúti.
Elektrina a peniaze
Všetky slovenské elektrárne vyrobili a predali v roku 2002 elektrinu v cene približne 42 miliárd korún. Je to veľké číslo a s niečím ho treba porovnať. Ekonómovia používajú termín HDP – je to hrubý domáci produkt. Označuje, približne povedané, cenu všetkých výrobkov a všetkej práce, ktorá sa v danej krajine vykonala. V roku 2002 to bolo približne 1 000 miliárd Sk. Teda výroba elektriny predstavuje rádovo asi 1/20 z celého HDP. Štátny rozpočet SR bol v roku 2002 približne 400 miliárd Sk. Z tohto je cena vyrobenej energie zhruba 1/10. Dane z výroby a predaja elektriny sú teda bezpochyby podstatnou súčasťou štátnych príjmov. Možno Faraday ani netušil, akú hlbokú pravdu vyslovil v diskusii s kráľovským ministrom financií.
Prenos elektrickej energie
Na elektrine je fantastické nielen to, kde všade sa používa, ale aj to, že ju môžeme na jednom mieste vyrobiť a na celkom inom mieste spotrebovať. Keď doma rozsvietime lampu, vôbec nevieme, v ktorej elektrárni vyrobili elektrinu, ktorá ju rozsvietila. Na prenos elektriny sa používa vedenie vysokého napätia. Pri ceste autom, autobusom alebo vlakom možno vidieť vysoké stĺpy s vedením, ktoré križujú krajinu. To je vedenie vysokého napätia. Na to, aby vzniklo vysoké napätie, je potrebný transformátor. Je to zariadenie, ktoré mení elektrinu s jedným napätím, napríklad nízkym, na elektrinu s iným napätím, napríklad vysokým. Vysoké napätie sa používa na „rozvoz“ elektriny preto, že pri ňom vznikajú malé straty. Odkiaľ pochádzajú straty energie? Keď vodičom tečie prúd, vodič sa zohrieva. Na tomto princípe funguje aj elektrická kanvica na ohrievanie vody, ale aj žiarovka. Straty energie spôsobené tým, že elektrina vyrába teplo v drôte, sú tým väčšie, čím väčší prúd prechádza vodičom. Keď transformujeme nízke napätie na vysoké, súčasne meníme väčší prúd na menší. A zmenšujeme tým straty.
Kam sa skryje elektrina, keď vytiahneme šnúru zo zásuvky?
Elektrina tečie od miesta s vyšším napätím k miestu s nižším napätím. Rozdiel napätí, napríklad na akumulátore, si môžeme odmerať. Ak medzi dve miesta s rôznym napätím dáme vodič, začne ním prechádzať prúd. Ak tam nijaký vodič nedáme, nijaký prúd nepotečie. Energia zostane skrytá v zásuvke až do okamihu, kým do nej nevsunieme zástrčku spotrebiča, napríklad rádia. Týmto vodičom začne po zapnutí prístroja doň tiecť elektrický prúd. Ak chcete vedieť, či by medzi dvoma miestami mohla tiecť elektrina, požiadajte niekoho, aby odmeral rozdiel napätia. Ale nestrkajte tam prsty! A už vôbec tam nestrkajte prsty oboch rúk. Človek je totiž vodivý. A vôbec, vôbec nikdy sa nedotýkajte niečoho, čo súvisí s vysokým napätím. To je naozaj smrteľne nebezpečné.
Ktorá otázka bola najvtipnejšia?
Otázka: „Ako vyrába raja elektrická energiu? Nedal by sa ňou napájať televízor?“
Odpoveď: „Priznávam, že presne neviem, ako raja vyrába elektrinu, ale používa ju na zabitie alebo ochromenie menších rýb, ktoré sa stanú jej korisťou. Takže to bude asi dosť vysoké napätie na krátkodobý elektrický úder. Možno by sa tým televízor dal pokaziť, ale dlhodobo by sa napájať nedal. A chovať doma vo vani alebo v akváriu raje elektrické by bolo určite menej praktické a oveľa drahšie ako používať elektrinu zo zásuvky.“
Ktorá otázka vás nútila k zamysleniu?
Otázka: „Sú jadrové elektrárne bezpečné?“
Odpoveď: „Moderné jadrové elektrárne sú naozaj bezpečné zariadenia. Veľa ľudí počulo o havárii jadrovej elektrárne v Černobyle v roku 1986, a preto má pocit, že jadrová energia je nebezpečná. V Černobyle úplne zlyhal ľudský faktor tým, že obsluha porušila prakticky všetky bezpečnostné predpisy. Viac sa o tom dočítate v novej učebnici fyziky pre štvrtý ročník gymnázia. Súčasné jadrové elektrárne sú už konštruované tak, aby sa reaktor samočinne zastavil, keby obsluha urobila nejakú chybu. Škoda, že sa o tom málo vie.“
Na ktorú otázku ste nevedeli odpovedať, ktorá vás prekvapila?
Otázka: „Nedala by sa v menšom vyrábať indukčná elektrina, tak aby sme si blesky mohli jednoducho vyrábať doma a hrať sa s nimi?“
Odpoveď: „Na to neviem odpovedať. Predpokladám, že zariadenie, ktoré ste pred chvíľou videli a ktoré vyrábalo blesky a naježilo papieriky na chochole, je vyrobené tak, aby bolo pomerne lacné a mohlo sa používať v škole pri experimentoch. Ale je celkom dobre možné, že by sa dalo vyrobiť ešte menšie a lacnejšie.“
Prof. RNDr. Ján Pišút, DrSc. (16. 3. 1939)
Vedie Katedru základov a didaktiky fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského. Zaoberá sa fyzikou elementárnych častíc a teóriou vyučovania fyziky. Pracoval niekoľko rokov na vysokých školách a vedeckých ústavoch vo Švajčiarsku, Fínsku a Francúzsku. Pracoval na riešení mnohých štátnych úloh i medzinárodných grantov. Od roku 1998 podnes je vedúcim alebo zástupcom vedúceho grantov zameraných na zlepšenie prípravy učiteľov fyziky a na využitie IKF v príprave učiteľov fyziky. Prednášal spoločne s Mgr. Vincentom Cigánikom (26. 4. 1978) – doktorandom na Katedre základov a didaktiky fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského a učiteľom fyziky na gymnáziu. Zaoberá sa elektrinou a magnetizmom na štvorročnom gymnáziu.
Článok vznikol na základe prednášky uskutočnenej v rámci projektu Detská univerzita Komenského. Vydavateľstvo PEREX z každého ukončeného ročníka vydáva zborník vo forme pestro ilustrovanej knižky sumarizujúcej obsah prednášok z daného ročníka. Knižka z prvého ročníka (2003) je už vypredaná, vydania z ročníkov 2004, 2005, 2006, 2007 a 2008 si môžete objednať za cenu 5€ (151 Sk) + poštovné na tel. čísle 02/4959 6270 od 8. do 14. hodiny, alebo emailom na adrese predplatne@pravda.sk.